多段电容式锅炉液位测量系统设计

蔡成涛,郑 佳,韩光照

(1.哈尔滨工程大学 自动化学院，哈尔滨 150001;2.中国船舶重工集团公司第703研究所，哈尔滨 150078)

多段电容式锅炉液位测量系统设计

蔡成涛1,郑 佳1,韩光照2

(1.哈尔滨工程大学 自动化学院，哈尔滨 150001;2.中国船舶重工集团公司第703研究所，哈尔滨 150078)

由于传统的锅炉汽包水位测量多采用差压式水位计、云母水位计等方法，测量过程中存在汽水分界面不明显，需要温度、压力补偿及投入麻烦等缺陷，为解决上述问题，提出了一种基于电容数字转换技术专用芯片Pcap01的智能多段式液位测量系统，并且应用HART通讯单元访问传感器的测量过程参数、设备组态、校准等信息；对多段电容式液位测量系统的总体方案、传感器设计、电容测量电路、HART通讯电路的设计进行了详细论述，同时设计了HART通讯软件和液位测量采集软件；对所设计的多段电容式锅炉液位测量系统经过试验表明，该液位计精度高、操作简单方便，解决了传统液位测量的缺陷，可以满足实际现场要求。

汽包水位；多段电容；液位测量；电容式传感器

0 引言

锅炉汽包水位是现代火电厂锅炉安全运行的一个非常重要的监控参数，维持汽包水位是保持汽机和锅炉安全运行的必要条件。水位过高或过低都会引起水汽品质的恶化甚至造成事故。水位过高，会影响汽包水位分离装置的正常工作，造成出口蒸汽水分过多而使过热器管壁结垢，引起过热器损坏。同时还会使过热汽温急剧变化，影响机组运行的安全性和经济性。水位过低，可能导致水循环破坏，引起水冷壁烧坏[1]。锅炉汽包的正常水位，一般在汽包中心线下100～200 mm。汽包内结构复杂，汽包内液位各处不在同一水平面上，因此，准确测量汽包水位具有重要的应用价值，目前能全程使用的汽包水位计还很少。当前汽包水位的监测多采用多种仪表多点监测的方法。

差压式汽包水位计在火电生产过程中是应用最为普遍的一种水位计，它是静压式液位测量仪表，广泛应用于汽包水位的实时监测和自动调节系统[2]。但受汽包内压力变化，饱和水蒸汽密度的变化影响及平衡容器内温度及密度影响，需要温度压力补偿，并且存在欠补偿及过补偿问题。本文提出基于电容数字转换技术的电容液位传感器，能够实现温度压力的自动补偿，解决了差压式水位计的缺陷。

提出的五段式智能电容汽包水位计利用充放电来测量微电容，传感器的被测电容和参考电容被连接到同一个放电电阻，组成一个低通滤波。放电时间被高精度时间数字转换器记录下来。由于应用同样的电阻，避免温度的改变对测量电容值得影响，采用被测电容与参考电容的比值作为结果，测量的周期时间在us级别，在测量时间段内的电容值几乎不变，保证了测量的准确性[3]。它能够解决常规差压式液位传感器的缺陷，由于整个电路不存在震荡电路及放电回路，而且能够实现多路电容同时测量，避免了多路开关的切换。使得电路简单化，实现了传感器的微型化。电容数字转换芯片的电容检测结果通过SPI接口传入ARM芯片进行数据处理及运算，最后使用两线制输出4～20 mA信号，液位传感器的调整及校验通过HART协议进行，从而实现了传感器的智能化。

1 系统总体设计

五段式智能液位测量系统由五段电容传感器，电容测量系统，SPI通讯单元，4～20 mA环流AD单元，HART通讯单元等构成。传感器通过PC0～PC5测量待测传感器各分段电容的电容值，并存入结果寄存器中，通过SPI通讯单元将电容测量结果传到STM32F103C8T6单片机进行运算处理，STM32单片机的PC13～PC15引脚分别与AD421的DATA、CLOCK、LATCH引脚连接，可以将处理后的数据传给AD421能通过4～20mA电流回路来解调，用DS8500进行相应的处理进行调制数据给AD421或者STM32F103C8T6单片机能对DS8500进行控制其状态是解调还是调制。能够方便实现对汽包液位的全程液位检测，并且对温度及液相、气相介电常数变化进行补偿。五段式液位测量系统的组成框图如图1所示。

图1 分段式液位测量系统的整体框图

2 系统硬件设计

2.1 多段式电容液位传感器设计

多段式电容传感器，由两个半径不同的筒状极板构成，外极筒作为一个整体。多段筒形电容结构原理图及等效电路如图2所示。在外极筒靠近底端和顶端的部分，留有两个进液孔；内极筒由多段相同的铜箔依次紧贴在绝缘管上构成。每一段相互并联，相互绝缘并独立引线。为了与外极板绝缘，整个内极板封装在耐腐蚀、耐高温、抗粘附的氟塑料管中。每组内极板电极各自引出一条引线，外极板引出一条地线。相当于从上至下形成了N个1/N量程的电容传感器，每一段独立检测电容，从而得到整体的测量结果。

图2 多段筒形电容结构原理图及等效电路

第i段电容值ci:

(1)

式中，h为每段极筒的高度；r1,r2为内极筒外径，外极筒内径；hx为被测液位高度；ε0为空气介电常数；ε为被测液体介电常数。可以看出液位跟电容值成线性关系，通过电容测量就可以得到液位值。当确定出液位所处的段后，即可求得总液位HX：

(2)

式中,Δ为各段间距，本设计中各段间距足够小。

2.2 电容测量电路的实现

通过对电容式传感器的研究，提出了采用电容数字转换单芯片PCap01来测量电路电容值。德国acam公司专利的PICOCAP测量原理给电容测量提供了革命性的突破[4]。它的内部带有DSP单片机处理单元，这颗芯片提供了对于高精度测量，低功耗测量以及快速测量应用的完美结合，利用充放电时间原理，转换时间的精度范围最少可达到2 μs。传感器数据可以在芯片内部进行现行校准，外部单片机对芯片进行控制或编程时，芯片提供了SPI和IIC两种串行通讯方式，但是每次通信仅能应用其中一种传输方式，而且芯片两种通信方式都只能作为“从机”。通讯方式通过控制引脚“IIC-EN”的高低电平来选择，本文选用SPI通讯方式对芯片进行控制和编程，将IIC-EN引脚连接到GND，4线SPI通信口开启，引脚SSN-PG0、SCK-SCL、MISO-PG1、MOSI-SDA引脚分别与STM32F103C8T6单片机引脚PA4～PA7连接。

电容测量不可避免的会产生噪声和温度漂移，PCap01芯片提供了两种补偿方式：漂移模式，内部和外部的寄生电容同时补偿；接地模式，内部补偿。通过补偿后的电容值，10 pf的基础电容在5 Hz频率下误差只有6af，达到了很高的精度。而且PCap01具有很高的测量频率和超低功耗的优点。

PCap01芯片与传感器有四种连接方式：单一传感器接地模式、单一传感器漂移模式、差分传感器接地模式、差分传感器漂移模式[5]。芯片供传感器连接的引脚为PC0～PC8，所以在接地模式中最多可以测量8路电容，漂移模式中最多可以测量4路电容。本次实验选用单一传感器接地模式，PC1～PC7引脚分别与传感器的各段极板引出的引线连接。电容测量电路设计如图3所示。

图3 PCap01芯片电路图

2.3 HART通信单元设计

HART协议是美国ROSEMOUNT公司于1985年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议[7]。HART技术在国外已经十分成熟，并已成为全球智能仪表的工业标准，国产的仪表HART协议应用刚刚起步，使用HART协议可方便的实现相应的参数修改。虽然HART协议只是一种由模拟系统向数字系统转变过程中的过渡协议，但是由于HART协议是唯一向后兼容的智能仪表解决方案，即它可以在提供现场总线的优越性的同时，保留着4～20 mA系统的兼容性[8]，并通过手持器或上位机完成对液位计的组态和数据校准。

HART通信单元主要由DS8500HRT，AD421及其外围电路构成。其中，AD421将STM32F103C8T6单片机处理后的数据转换成4～20 mA电流，输出主要的测量结果。AD421电路图设计如图4所示。DS8500HRT接收叠加在4～20 mA环路上的数字信号，对其进行带通滤波和放大之后进行滤波检测，如果检测到FSK频移键控信号，则将1.2 kHz信号解调为1，2.2 kHz信号解调为0，并通过串口通信传输给STM32F103C8T6单片机[9]。STM32F103C8T6电路图如图5所示。单片机接收到命令帧作出相应的处理，然后通过串口发送应答帧，应答帧的数字信号通过DS8500HRT调制成相应的1.2 kHz和2.2 kHz的FSK频移键控信号，并经过整形电路进行波形整形后，叠加在AD421环路上发送。STM32F103C8T6单片机通过PA9、PA10、PA12分别与DS8500HRT的D_IN、D_OUT、RST引脚相连，PA9、PA10分别为STM32F103C8T6单片机的USART1_TX和USART1_RX引脚，通过程序控制PA12引脚的高低电平控制DS8500HRT处于调制和解调模式。当PA12引脚为高电平时DS8500HRT处于解调模式，DS8500HRT从4～20 mA环路上接收信号，通过带通滤波和放大整形后提取出FSK信号并解调为数字信号传给STM32F103C8T6单片机；当PA12引脚为低电平时DS8500HRT处于调制模式，DS8500HRT接收STM32F103C8T6单片机发送的应答帧，经过调制和波形整形后耦合到AD421的C3引脚，通过AD421叠加到4～20 mA环路上。

由于HART手持器价格昂贵，可以采用USB-HART调制解调器和上位机来实现HART协议功能，HART通信电路如图6所示。在4～20 mA环路中串入250 Ω的通信电阻，并将USB-HART调制解调器的两个测试钩接入电路中，通过HART上位机配置软件，完成访问过程参数、设备组态和校准信息等功能。

图4 AD421电路图设计

图5 STM32F103C8T6电路图

图6 HART通信单元电路图

3 系统软件设计

软件设计分为两部分，一部分是HART协议通信程序设计，另一部分是液位测量程序设计。

3.1 HART通信程序设计

HART通信程序完成了HART协议数据链路层、应用层以及层间接口的程序设计，实现了HART信号的接收、解析、响应和发送，并开发了用于各段校准的特殊命令。数据链路层规定了HART协议通信帧格式，通信帧格式包括前导符、定界符、地址、扩展字节、命令、数据个数、数据、校验字节。

前导符是5～20个0XFF字符，前导符是为了使数据接收端在硬件电路上产生OCD载波检测信号，以实现数据通讯的同步。定界符用来表示数据帧传输的开始，并指明数据的传输方向(主从、从主)、物理层类型(异步、同步)，同时它也指定了数据帧的帧类型(长帧、短帧)。地址包括主机地址和从机地址，分为长帧和短帧两种类型，短帧为一个字节，长帧为5个字节。命令表明了一个数据帧要具体实现的功能，命令分为通用命令、普通命令和特殊命令三类。数据个数表示发送或接收数据的字节数，数据包括根据具体命令发送或接收的参数内容和响应码。校验字节是为了保证通信的正确性，从定界符到数据的所有字节的“异或”值。

由于采用USART1完成数字字节的传输，所以单片机初始化时应包括通信速率、数据长度和工作模式等参数设置，并开启USART1接收中断，PA12引脚设置为高电平，使DS8500芯片处于接收HART信号状态。当DS8500芯片接收到HART信号，将其解调成0、1数字信号，然后通过USART1传送给STM32单片机，STM32单片机接收到数据后，进入串口接收中断，接收命令帧数据。进而对接收到的数据进行纵向奇校验，如果正确，则按照HART协议的通信帧格式解析命令帧，根据命令帧相应的命令形成应答帧，然后将PA12引脚设置为低电平，使DS8500芯片处于发送HART信号状态，STM32单片机通过USART1将应答帧传送给DS8500芯片，经DS8500芯片调制成FSK信号之后加载到4～20 mA环路中[10]。当发送完成之后，再次进入接收状态，等待下一条命令。HART通信程序流程图如图7所示。

图7 HART通信程序流程图

3.2 液位测量程序设计

液位测量程序如图8所示，首先对STM32单片机进行初始化，包括初始化IO接口，设置SPI1通讯参数和初始化USART1等。若初始化未完成会返回重新进行初始化，若初始化完成，单片机会通过SPI通讯方式向PCap01发送复位信号，初始化PCap01芯片，操作配置寄存器，使PC1～PC5脚处于测量模式，充放电周期为280 μs，选择250 Ω充放电电阻，操作完成之后，开始电容测量，待测量完成之后，将测量结果传送给STM32单片机，单片机将电容比值经过处理和拟合之后转化为实时液位值，然后将液位值变为16位的数字量传给AD421输出4～20 mA电流信号，然后继续返回电容测量。

图8 液位测量流程图

4 试验及结果

由于采用的是五段式电容传感器，所以只需用到Pcap01芯片测量引脚中的PC0到PC5。选取每段传感器长度为60 mm，将传感器置入到盛有沸水的圆筒容器中，为了避免传感器对液位值的影响，容器应选择的足够大，使用精度为0.2 mm的防水贴尺紧贴在传感器表面。由于每段传感器的结构是完全相同的，以第一段为例，每隔5 mm采集一次被测电容值和4～20 mA模拟电流输出值。将测得4～20 mA电流值换算成液位值与贴尺所示液位值进行比对。绘制电容-液位曲线如图9所示，液位值与被测电容值成线性关系。HART通信测试表明通过HART单元可以实现远程输出电流值的校准。

图9 电容-液位关系图

5 结论

通过对电容式液位传感器的研究，所提出的智能液位计，采用多段式电容传感器，该电容传感器响应速度快，能较为准确的显示出液位的变化值且不需要进行温度压力补偿，弥补了传统锅炉液位测量的缺陷，可以满足工业现场的需求。

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Multiple-Segment Capacitance Liquid Level Meter

Cai Chengtao1，Zheng Jia1，Han Guangzhao2

(1.College of Automation, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China;2.No.703 Research Institute，China Shipbuilding Industry Corporation, Harbin 150078, China)

Due to the traditional boiler drum water level measurement using differential pressure type water level gauge, gauge mica method, the measurement process exists soda interface is not obvious, need temperature and pressure compensation. In order to solve the above problems, put forward a based on capacitance to digital conversion technology special Pcap01 intelligent multi segment type liquid level measuring system, and the application of HART communication unit access to sensor measuring process parameters, equipment configuration, calibration and other information. The overall scheme, sensor design, capacitance measurement circuit and HART communication circuit are described in detail, and the HART communication software and liquid level measurement and acquisition software are designed. Through the test of the design of the multiple - segment condenser boiler liquid level measuring system, the liquid level meter has high precision and convenient operation, which can solve the defects of traditional liquid level measurement, and can meet the actual requirements of the field.

drum water level; multi section capacitor; liquid level measurement; capacitive sensor

2015-12-14；

2016-02-24。

蔡成涛(1980-)，男，河南开封人，副教授，博士生导师，主要从事智能系统方向的研究。

1671-4598(2016)07-0035-04

：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

TP13 文献标识码：A